Введение к работе
Актуальность темы. Тема диссертации «Аппаратные и алгоритмические средства помехозащиты с использованием систематических кодов с коммутируемой структурой» сформулирована на предмет дальнейшего развития результатов, полученных при выполнении лабораторией технической информатики и телемеханики кафедры систем управления и информатики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (СПб НИУ ИТМО) исследований в рамках Региональной комплексной целевой программы «ТЕЛЕМЕХАНИКА - 2000», возложенной на НИИ Точной механики (НИИ ТМ) г. Санкт-Петербург для модернизации управления стрелочным и инженерным хозяйством метрополитенов городов Казани и Санкт-Петербурга, а также полученных при участии в конкурсной работе по подготовке технических предложений по разработке системы дистанционного управления гидроагрегатом с поворотно-лопастной гидротурбиной ПЛ-661-ВБ-930 производства АО «ЛМЗ» с целью регулирования частоты генерируемой электроэнергии, качество которой должно соответствовать требованиям ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества энергии в системах электроснабжения общего назначения», заказчиком которой является ОАО «Боткинская ГЭС», с целью разработки средств дистанционного управления с учетом фактора канальной среды. Диссертационные исследования, выполненные соискателем, ставили своей прикладной задачей повысить пропускную способность канальной среды в условиях помех, используемой в составе системы дистанционного цифрового управления уникальным объектом, функционирующей в «on-line» режиме, требующем использования корректирующих способностей помехозащищенных кодов в форме исправления искажений за счет процедуры формирования сигналов коррекции в виде квазисиндромов искажений, осуществляемой в темпе аппаратного времени, ускоренного по сравнению с канальным в число раз, равного размерности помехозащищенного кода, что обеспечивается коммутацией алгоритмической и аппаратной среды. Теоретической задачей диссертационных исследований ставилось изучение возможностей системного матричного формализма в основном применительно к рекуррентной среде помехозащитного преобразования кодов и коррекции их искажений, дополненных процессами коммутации алгоритмических и аппаратных средств с целью рационального использования времени на процесс коррекции искажений. Диссертационные исследования были поддержаны премиями Правительства Санкт-Петербурга за победу в конкурсах фантов: «Конкурс грантов 2010 года для студентов и аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга» и «Конкурс грантов 2011 года для студентов и аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга».
Научные исследования в области теории двоичных динамических систем, проводимые в лаборатории технической информатики и телемеханики кафедры систем управления и информатики СПб НИУ ИТМО, обнаружили потенциал расширения функциональных возможностей двоичных динамических систем (ДДС) путем включения в их состав дополнительных устройств коммутации, что позволило, по существу, создать новый тип двоичных устройств дискретной автоматики, занимающих промежуточное положение между линейными ДДС и нелинейными
ДДС (микропрограммными автоматами). Данное направление легло в основу диссертационных исследований соискателя, ориентированных на задачу разработки аппаратных и алгоритмических средств помехозащиты, применительно к системам дистанционного цифрового управления уникальным объектом в режиме «on-line» с использованием протокола РРР канальной среды.
Цель диссертационной работы. Разработка аппаратных и алгоритмических средств помехозащиты систематических кодов с использованием возможностей системного матричного формализма применительно к рекуррентной среде помехозащитного преобразования кодов и коррекции их искажений, дополненных процессами коммутации с целью рационального использования времени на процесс коррекции искажений.
Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
Сравнительный анализ методов систематического помехозащитного преобразования двоичных кодов.
Представление процессов помехозащитного кодирования и декодирования в форме линейных векторно-матричных рекуррентных процедур над кодовыми последовательностями, реализуемыми в алгоритмической среде линейных двоичных динамических систем, а также погружение линейных рекуррентных процедур в алгоритмическую среду нелинейных двоичных динамических систем.
Создание алгоритмической среды, связывающей процедуры формирования матриц двоичных динамических систем рекуррентного кодирования и декодирования с образующими модулярными многочленами и не параметризованными дискретным временем образующей и проверочной матрицами помехозащищенного кода.
Построение алгоритмической среды наблюдения с целью динамического формирования оценки вектора состояния наблюдаемой системы в версии двоичного динамического устройства наблюдения с дальнейшим переносом полученных результатов на задачу декодирования как задачу двоичного динамического наблюдения начального состояния регистра канала связи.
Анализ структуры пространства состояний линейных двоичных динамических систем, определяемой свойствами характеристических полиномов их матриц состояния.
Синтез рекуррентной векторно-матричной алгоритмической среды формирования линейной двоичной динамической системы с коммутацией структуры пространства ее состояния нелинейно формируемыми сигналами для случая полной измеримости ее вектора состояния и для случая его неизмеримости, возможности которой расширены на задаче по коммутации пространства нелинейных двоичных динамически систем.
Проблема векторно-матричного рекуррентного формирования сигналов коррекции искажений систематических кодов на основе квазисиндромов.
Задача минимизации затрат канального времени при исправлении многократных ошибок, использующих процедуру формирования квазисиндромов как сигналов коррекции, путем использования возможности трансформации аппаратного
времени.
Методы исследований. Основной математический аппарат, примененный при проведении диссертационных исследований, составляют векторно-матричный формализм метода пространства состояний, применительно к теории ДДС;
возможности матричного уравнения Сильвестра, алгоритмически реализующего концепцию векторного и матричного подобия над двоичным полем Галуа; теория конечных (микропрограммных) автоматов; шенноновский подход к оценке пропускной способности канальной среды в условиях помех; методы систематического помехозащитного кодирования и декодирования в задаче обеспечения информационной надежности в трех версиях его модельного представления, а также оценки временных затрат и поиск путей их минимизации путем структурной коммутации. Математический аппарат поддерживается современными программными продуктами последних версий.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложены алгоритмы формирования матриц двоичных динамических систем векторно-матричного рекуррентного кодирования и декодирования на основе их связей с образующими модулярными многочленами и не параметризованных дискретным временем образующей и проверочной матрицами помехозащищенного кода.
Разработан алгоритм синтеза динамического наблюдателя состояния регистра канала связи, опирающийся на формализм матричного уравнения Сильвестра над двоичным полем, решение которого представляет собой проверочную матрицу используемого помехозащищенного кода.
Предложена алгоритмическая среда анализа структуры пространства состояний линейной ДДС, которая делает алгебраически прозрачным процесс рекуррентного векторно-матричного преобразования двоичных кодов, что особенно важно при решении задач их помехозащитного преобразования.
Разработаны алгоритмы формирования матриц коммутирующего входа и сигнала коммутации для линейной ДДС для случая произвольной входной последовательности, позволяющие конструктивно расширить функциональные возможности линейных двоичных динамических систем, что, по существу, открывает новый класс двоичных динамических устройств гибридного типа.
Предложена двоичная векторно-матричная рекуррентная алгоритмическая среда формирования линейной ДДС с коммутацией структуры пространства ее состояния нелинейно формируемыми сигналами, использующая в своем составе двоичное динамическое наблюдающее устройство, что существенно сокращает уровень топологических трудностей при ее техническом осуществлении.
Исследована возможность и получен конструктивный результат по коммутации пространства нелинейных ДДС, основанный на композиции линейных системных средств и нелинейных методов формирования сигнала.
Решена проблема матричного (В) - представления процесса формирования сигнала коррекции искажений систематических кодов на основе квазисиндрома однократного искажения в темпе канального времени, для которого достаточно одного дополнительного цикла рекуррентной процедуры деления.
Решена проблема матричного (А, В) — представления процесса формирования квазисиндромов многократных искажений в задаче коррекции искажений систематических кодов в темпе канального времени, на которое, как и в случае однократных искажений, достаточно одного дополнительного цикла деления.
Введена концепция канального и аппаратного времен, при этом выявлено, что последнему можно придать любой темп, существенно превышающий канальный.
- Показано, что за счет ускорения аппаратного времени по сравнению с
канальным путем использования процедур коммутации алгоритмических и
аппаратных средств при помехозащитном преобразовании кодов на приемной
стороне, решена задача минимизации затрат канального времени при исправлении
многократных искажений, использующих матричную (А, В) - процедуру
формирования квазисиндромов.
Практическая ценность. Результаты диссертационных исследований:
могут быть применены для повышения пропускной способности канальной среды в условиях помех, используемой в составе системы дистанционного цифрового управления уникальным объектом, функционирующей в «on-line» режиме, требующем использования корректирующих способностей помехозащищенных кодов в форме исправления искажений, за счет процедуры формирования сигналов коррекции в виде квазисиндромов искажений, осуществляемой в темпе аппаратного времени, ускоренного по сравнению с канальным в число раз, равного размерности помехозащищенного кода, что обеспечивается коммутацией алгоритмической и аппаратной среды;
поддержаны Правительством Санкт-Петербурга по итогам «Конкурса грантов 2010 года для студентов и аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга» и «Конкурса грантов 2011 года для студентов и аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга»;
могут быть использованы при чтении курса лекций по дисциплине «Прикладная теория информации» цикла специальных дисциплин образовательного стандарта направления 220400 - «Управление в технических системах» подготовки бакалавров и специальности 220201 - «Управление и информатика в технических системах» подготовки специалистов-инженеров, а также по дисциплине «Сетевые технологии в процессах управления» при подготовке магистров по направлениям 220100 - «Системный анализ и управление» и 220400 - «Управление в технических системах».
были использованы в написании разделов 5,6,7 учебного пособия: Ушаков А.В. Прикладная теория информации: элементы теории и практикум: Учебное пособие для вузов. - СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - 326 с.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XXXIX, XL, XLI-й научных и учебно-методических конференциях СПб НИУ ИТМО (СПбГУИТМО) 2010-2012 годов соответственно; VII и VIII—й Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых 2010-2011 годов соответственно; 3-ей Мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2010), г. Санкт-Петербург, 2010 г.; XV Санкт-Петербургской Ассамблее молодых учёных и специалистов и Международной научно-практической конференции XXXIX НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ в 2010г.; VII mezinarodnf vedecko-prakticka conference «Vedecky prumysl evropskeho kontinentu - 2011», Praha, 2011 г.; XL Неделе науки Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, 2011 г.; I Всероссийском конгрессе молодых ученых СПб НИУ ИТМО, 2012 г; 5-ой Мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2012), г. Санкт-Петербург, 2012 г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации отражены в 10 опубликованных статьях в журналах и изданиях,
входящих в перечень ВАК РФ; в 1 статье в англоязычном издании; в 5 сборниках материалов различных конференций и конгрессов; 6 научных трудов приняты к публикации. Все публикации подготовлены при непосредственном участии автора.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 96 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 237 страницах машинописного текста и содержит 28 рисунков и 40 таблиц.
